Батарейний світ – частина 3

Історія сучасних батарей починається в дев'ятнадцятому столітті, з цього століття бере початок більшість конструкцій, що використовуються сьогодні. Таке становище свідчить, з одного боку, про прекрасні ідеї вчених на той час, з другого — про труднощі, що виникають розробки нових моделей.

Небагато речей настільки хороші, що їх не можна покращити. Це правило поширюється і на акумулятори - моделі XNUMX століття багато разів допрацьовувалися, поки не набули нинішнього вигляду. Це також відноситься до Клітини Лекланша.

Посилання для покращення

Дизайн французького хіміка було змінено Карл Гаснер у справді корисну модель: дешеву у виробництві та безпечну в експлуатації. Однак проблеми все ж таки були - цинкове покриття елемента роз'їдало при контакті з кислим електролітом, що заповнює чашу, і виплескування агресивного вмісту могло вивести з ладу пристрій, що живиться. Рішення стало амальгамування внутрішня поверхня цинкового корпусу (ртутне покриття).

Амальгама цинку практично не реагує із кислотами, але зберігає всі електрохімічні властивості чистого металу. Однак, внаслідок правових норм щодо охорони навколишнього середовища, цей метод продовження терміну служби елементів використовується все рідше (на безртутних елементах ви можете знайти напис або) (1).

2. Схема лужного осередку: 1) корпус (катодний свинець), 2) катод, що містить діоксид марганцю, 3) електродний сепаратор, 4) анод, що містить КОН і цинковий пил, 5) анодний висновок, 6) герметизація осередку . .

Ще один спосіб збільшити довговічність та термін служби осередку – додати хлорид цинку ZnCl₂ для пасти для заповнення чашок. Осередки цієї конструкції часто називають Heavy Duty і (як випливає з назви) призначені для живлення більш енергоємних пристроїв.

Проривом в області одноразових батарей стало будівництво в 1955 р. лужний осередок. Винахід канадського інженера Льюїс Уррі, що використовується нинішньою компанією Energizer, має структуру, що трохи відрізняється від структури осередку Лекланше.

По-перше, ви не знайдете там ні графітового катода, ні цинкової чашки. Обидва електроди виконані у вигляді вологих, розділених паст (загусники плюс реагенти: катод складається із суміші діоксиду марганцю та графіту, анод із цинкового пилу з домішкою гідроксиду калію), а їх висновки виконані з металу (2). Проте реакції, що відбуваються під час роботи, дуже схожі на ті, що відбуваються у осередку Лекланше.

Завдання. Виконайте «хімічне розтин» лужного осередку, щоб з'ясувати, що вміст справді лужний (3). Пам'ятайте, що такі ж запобіжні заходи відносяться і до демонтажу осередку Лекланше. Як визначити лужний елемент, див. у полі «Код батареї».

3. «Розріз» лужного осередку підтверджує вміст лугу.

Акумулятори саморобні

4. Вітчизняні Ni-MH та Ni-Cd акумулятори.

Осередки, які можна заряджати після використання, були метою конструкторів від початку розвитку науки про електрику, звідси і безліч їх видів.

В даний час однією з моделей, що використовуються для харчування дрібної побутової техніки, є нікель-кадмієві акумулятори. Їхній прототип з'явився в 1899 році, коли це зробив шведський винахідник. Ернст Юнгнер подала заявку на патент на нікель-кадмієву батарею, яка могла б конкурувати з батареями, що вже широко використовуються в автомобільній промисловості. свинцево-кислотна батарея.

Анод осередку – кадмій, катод – з'єднання тривалентного нікелю, електроліт – розчин гідроксиду калію (у сучасних “сухих” конструкціях – волога паста із загусників, насичена розчином КОН). У Ni-Cd акумуляторів (таке їх позначення) робоча напруга становить приблизно 1,2 В – це менше, ніж одноразові елементи, що, втім, не є проблемою для більшості застосувань. Великою перевагою є можливість споживати струм значної сили (навіть кілька ампер) та широкий діапазон робочих температур.

5. Перед заряджанням перевірте вимоги до різних типів елементів живлення.

Недоліком нікель-кадмієвих акумуляторів є обтяжливий ефект пам'яті. Це відбувається при частій перезарядці частково розряджених Ni-Cd акумуляторів: система веде себе так, ніби її ємність дорівнює тільки заряду, що поповнюється при перезарядці. У деяких типах зарядних пристроїв можна зменшити ефект пам'яті, заряджаючи елементи в спеціальному режимі.

Тому розряджені нікель-кадмієві акумулятори слід заряджати по повному циклу: спочатку повністю розрядити (використовуючи відповідну функцію зарядного пристрою), а потім зарядити. Часта перезарядка також знижує розрахунковий термін служби в 1000-1500 циклів (така кількість одноразових елементів буде замінено одним акумулятором протягом терміну служби, тому більш висока вартість покупки окупить себе багато разів, не кажучи вже про набагато менше навантаження на акумулятор). навколишнього середовища з виробництвом та утилізацією клітин).

Ni-Cd елементи, що містять токсичний кадмій, замінено нікель-металогідридні акумулятори (Позначення Ni-MH). Їхня структура аналогічна Ni-Cd акумуляторам, але замість кадмію використовується пористий металевий сплав (Ti, V, Cr, Fe, Ni, Zr, рідкісні метали) зі здатністю поглинати водень (4). Робоча напруга Ni-MH елемента також становить близько 1,2 В, що дозволяє використовувати їх взаємозамінні з NiCd акумуляторами. Ємність нікель-металогідридних елементів більша, ніж у нікель-кадмієвих елементів того ж розміру. Проте системи NiMH саморозряджаються швидше. Вже є сучасні конструкції, позбавлені цього недоліку, але коштують вони значно дорожче за стандартні моделі.

Нікель-металогідридні акумулятори не виявляють «ефекту пам'яті» (частково розряджені елементи можна перезаряджати). Однак завжди необхідно перевіряти вимоги щодо заряджання кожного типу в інструкції до зарядного пристрою (5).

У випадку Ni-Cd та Ni-MH акумуляторів ми не рекомендуємо їх розбирати. По-перше, ми не знайдемо в них нічого корисного. По-друге, нікель та кадмій не є безпечними елементами. Не ризикуйте без необхідності та надайте утилізацію підготовленим до цього фахівцям.

Король акумуляторів.

6. "Король акумуляторів" за роботою.

… Свинцево-кислотний акумулятор, збудований у 1859 році французьким фізиком Гастон Плантего (так-так - апарату цього року "стукне" 161 рік!). Електроліт батареї є близько 37% розчином сірчаної кислоти (VI), а електроди – свинець (анод) і свинець, покритий шаром діоксиду свинцю PbO.₂ (катод). При роботі на електродах утворюється осад сульфату свинцю (II) (II) PbSO₄. При зарядці один осередок має напругу понад 2 вольти.

Свинцева батарея у нього фактично є всі недоліки: значна вага, чутливість до розряду та низьких температур, необхідність зберігання у зарядженому стані, ризик агресивного витоку електроліту та використання токсичного металу. Крім того, вимагає дбайливого звернення: перевірки щільності електроліту, доливки води в камери (використовуйте лише дистильовану або деіонізовану), контроль напруги (падіння нижче 1,8 В в одній камері може призвести до пошкодження електродів) та спеціальний режим заряджання.

То чому ж давня структура все ще використовується? "Король акумуляторів" має те, що є атрибутом справжнього правителя - владою. Споживання струму великої сили та висока енергоефективність до 75% (така кількість енергії, яка використовується для заряджання, може бути рекуперована в процесі експлуатації), а також простота конструкції та низька собівартість виробництва означають, що свинцева батарея використовується як запуску двигунів внутрішнього згоряння, а й елемент аварійного електропостачання. Незважаючи на 160-річну історію, свинцева батарея досі добре почувається і не витіснена іншими типами цих пристроїв (а разом з нею і сам свинець, який завдяки батареї є одним з металів, що виробляються у найбільших кількостях). Поки моторизація на основі двигунів внутрішнього згоряння продовжує розвиватися, її позиції, ймовірно, не загрожуватимуть (6).

Винахідники не припиняли спроб створити заміну свинцево-кислотного акумулятора. Деякі моделі стали популярними і досі використовуються в автомобільній промисловості. На рубежі дев'ятнадцятого та двадцятого століть були створені конструкції, в яких розчин Н не використовувався.₂SO₄але лужні електроліти. Прикладом може бути нікель-кадмієва батарея Ернста Юнгнера, представлена ​​вище. У 1901 році Томас Алва Едісон змінили конструкцію, щоб використати залізо замість кадмію. У порівнянні з кислотними акумуляторами лужні моделі набагато легші, можуть працювати при низьких температурах і не так складні у використанні. Проте їхнє виробництво дорожче, а енергоефективність нижча.

І що далі?

Звісно, ​​статті, присвячені батареям, не вичерпують питання. Вони не обговорюють, наприклад, питання літієвих елементів, які також часто використовуються для живлення побутової техніки, такої як калькулятори або комп'ютерні материнські плати. Докладніше про них можна дізнатися у січневій статті про минулорічну Нобелівську премію з хімії, а з практичної частини – через місяць (включаючи знесення та досвід).

Є хороші перспективи для елементів, особливо акумуляторів. Світ стає все більш мобільним, а це означає необхідність стати незалежним від силових кабелів. Також великою проблемою є забезпечення ефективного енергопостачання електромобілів. – щоб вони могли конкурувати з автомобілями із двигуном внутрішнього згоряння ще й за економічністю.

акумуляторна батарея

Для полегшення ідентифікації типу клітин запроваджено спеціальний буквено-цифровий код. Для типів, що найчастіше зустрічаються в наших будинках для дрібної побутової техніки, він має вигляд число-літера-літера-номер.

І це:

– перша цифра – кількість осередків; ігнорується для одиночних осередків;

– перша літера позначає тип комірки. Коли його немає, ви маєте справу зі ланкою Лекланше. Інші типи осередків маркуються так:

C - літієвий елемент (найпоширеніший тип),

H – Ni-MH акумулятор,

K - нікель-кадмієва батарея,

L – лужний осередок;

– наступна літера вказує форму ланки:

F - тарілка,

R - Циліндричний,

P – загальне позначення ланок, що мають форму, відмінну від циліндричної;

– кінцева цифра або цифри позначають розмір ланки (каталожні значення або прямо вказують розміри) (7).

7. Розміри популярних елементів та акумуляторів.

Приклади маркування:

R03
– цинк-графітовий осередок розміром з мізинець. Інше позначення - ААА або .

LR6 – лужний осередок розміром із палець. Інше позначення - АА або .

HR14 - Ni-MH акумулятор; літера C також використовується для позначення розміру.

KR20 – Ni-Cd акумулятор, розмір якого також позначений літерою D.

3LR12 - Плоска батарея напругою 4,5 В, що складається з трьох циліндричних лужних елементів.

6F22 – 9-вольтова батарея, що складається із шести плоских елементів Лекланше.

CR2032 – літієвий осередок діаметром 20 мм і товщиною 3,2 мм.

Дивіться також: